Un equipo de investigación conjunto ha logrado demostrar la completa confinación de ondas mecánicas dentro de un único resonador, un fenómeno que se había considerado teóricamente imposible durante más de un siglo. Los hallazgos, publicados el 3 de abril en la revista Physical Review Letters, representan un avance significativo en el enigma de los estados atrapados en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés). Este grupo de investigación proviene de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) y de la Universidad Nacional de Jeonbuk, ambas en Corea del Sur.
Las tecnologías que utilizamos a diario, desde smartphones hasta dispositivos de ultrasonido, dependen de la resonancia, un fenómeno donde las ondas se amplifican a frecuencias específicas. Sin embargo, los resonadores convencionales pierden energía con el tiempo, lo que requiere un aporte constante de energía para mantener su funcionamiento.
Hace casi un siglo, los premios Nobel John von Neumann y Eugene Wigner propusieron un concepto contraintuitivo: bajo ciertas condiciones, las ondas podrían quedar atrapadas indefinidamente sin ninguna fuga de energía. Estos llamados estados atrapados en el continuo son comparables a remolinos que permanecen en su lugar mientras el río fluye a su alrededor. No obstante, durante décadas, los científicos creyeron que este fenómeno no podía existir en un sistema compacto y de una sola partícula.
El equipo de investigación ha roto esta barrera teórica al realizar con éxito un BIC en una sola partícula. Utilizando un sistema de partículas granulares cilíndricas—pequeñas varillas sólidas hechas de cuarzo—, los investigadores construyeron una plataforma mecánica altamente ajustable. Al modificar con precisión la forma en que los cilindros se tocan entre sí, pudieron controlar la interacción de las ondas mecánicas en las fronteras de contacto.
Innovación en la Confinación de Ondas
Con un alineamiento especial, un modo de onda se confinó completamente dentro de un solo cilindro sin que se escapara energía hacia la estructura circundante. Este fenómeno, denominado BIC protegido por polarización, fue observado en experimentos reales. Aún más notable, el sistema logró factores de calidad (Q-factors) superiores a 1,000, una medida de la eficiencia con la que un resonador almacena energía con pérdidas mínimas.
El equipo también investigó qué sucede cuando muchos de estos cilindros especiales se conectan en una cadena. Descubrieron que los modos de onda atrapados podían extenderse a lo largo de la cadena sin dispersarse, un fenómeno conocido como banda plana. «Es como lanzar una piedra en un estanque tranquilo y ver cómo las ondas permanecen inmóviles, vibrando solo en su lugar», explicó el autor principal, el Dr. Yeongtae Jang. «Aunque el sistema permite el movimiento de ondas, la energía no se dispersa; permanece perfectamente confinada».
Este comportamiento se describe como una banda atrapada en el continuo (BBIC) y abre nuevas posibilidades para la recolección de energía, sensores ultra-sensibles e incluso comunicaciones avanzadas. El profesor Junsuk Rho, líder de la investigación, afirmó: «Hemos roto una barrera teórica que ha perdurado durante mucho tiempo. Aunque esto sigue en la fase de investigación fundamental, las implicaciones son significativas, desde dispositivos de energía de baja pérdida hasta tecnologías de sensor y señal de próxima generación».
Más información:
Yeongtae Jang et al, Bound States to Bands in the Continuum in Cylindrical Granular Crystals, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.136901. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.16209
